JP7619456B2 - ポールの不平衡荷重を算出する装置、方法及びプログラム - Google Patents

Description

本開示は、主として屋外に存在する電柱や信号柱等のポールに布設されている、電力線や電話線等のケーブルの布設条件の違いによる、ポールに発生する不平衡荷重を解消するための技術に関する。

従来、ポールを布設する際には、ポールに布設される予定のケーブルにより発生する張力及び、その他付属物における荷重の合力を考え、これがポールに作用する荷重の合力（不平衡荷重）となり、この不平衡荷重に、風圧の強さ・土壌の硬さ等の不確定要素の影響も含んだうえで、使用するポールの種別等を決定している。

ポールには種類ごとに許容できる荷重の基準として設計荷重が設定されており、ポールを実際に構築する際の設計者は、先の不平衡荷重に、風圧の強さ・土壌の硬さ等の不確定要素の影響を考慮した上で、発生する荷重に耐えることのできる設計荷重を有するポールを選定する。また、不平衡荷重の向きに応じて、電柱の倒壊等を防ぐために、不平衡荷重を相殺する向きに支線・支柱等を設置することもある。このように、布設されるケーブルにより発生する張力の大きさと向きに応じて、ポールに作用する不平衡荷重を想定し、この不平衡荷重により、ポールの変形や、破壊につながるひび等が発生しないように、使用するポールの種別等が決定されている。

現状、ポールにかかる不平衡荷重は、新たにケーブルが布設される場合を除き、設計時の条件（大きさ、向き）から変化しないことを前提としている。しかし実際は、施工時の偏りや、経時的に外的環境にさらされることによって不平衡荷重の条件が、設計時より悪化しポールの変形や、破壊につながるひび等が発生する危険性がある。こうした不平衡荷重の発生や、それに伴うポールの変形、ひびは、現在定期的な点検等で発見しているが、設計荷重のより大きなポールへの更改等で対応せざるを得ないケースが多く、多大な更改コストがかかっている。

また、ケーブルの余長がある場合はケーブルの弛度変更、用地折衝が可能な場合はポールの位置変更等を行って、不平衡荷重の解消工事を実施しているケースもあるが、実際の施工時には、どの程度の弛度変更やポールの位置変更によって不平衡荷重が解消されるのかを計算で求めておらず、施工時の現場の判断で決定している。現在、不平衡荷重を評価しようとした場合には、張力Ｔ（ｋＮ）、単位長さ辺りのケーブル荷重ｗ（ｋＮ／ｍ）、スパン長Ｓ（＝ケーブル布設位置間の距離）（ｍ）、ケーブルの実長Ｌ（ｍ）、ケーブルの弛度ｄ（ｍ）を用いて、ケーブルの張力を求めている（非特許文献１参照）。

特開２０２０－９８１２６，“設備状態検出装置、装置状態検出方法、及びプログラム”（ＮＴＴ）

"架空送電線の弛度"、竹下英世、昭和４１年９月１５日発行

理論上は張力を任意に調整するためのスパン長の変更幅を算出できるが、実際は該当スパンの張力が変化することで、不平衡荷重が変化した結果、ポールが変形し、スパン長が変化することになり、先に算出した結果の張力とは一致しない。

本開示は、ケーブルの布設条件を変化させたときのポールの不平衡荷重の変化を算出可能にすることを目的とする。

そこで本開示では、ケーブル布設条件によりケーブルの張力が異なることを利用し、ケーブル布設条件の変更前後でのポールの不平衡荷重を、ポールに作用する力のつり合いの定式化から評価することを特徴とする。

本開示に係る装置及び方法は、
ケーブルの布設条件を変化させたときの、そのケーブルが布設されているポールを対象ポールと考え、
対象ポールに布設されている各ケーブルの張力及び対象ポールの不平衡荷重を計算する。

本開示のプログラムは、本開示に係る装置に備わる各機能部としてコンピュータを実現させるためのプログラムであり、本開示に係る装置が実行する方法に備わる各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本開示によれば、ケーブルの布設条件を変化させたときのポールの不平衡荷重の変化を計算することができ、不平衡荷重を解消するケーブルの布設条件を求めることが可能となる。

本開示の装置が実行する不平衡荷重の解消のフロー図である。 ケーブルの張力の算出時の必要情報の説明図である。 ポールに作用する力学的要素の説明図である。 ポールの変形を表す例の説明図である。 力のつり合い式の収束計算例のフロー図である。 ポールの変形Δが変わることによるケーブルの張力Ｔへのフィードバックの説明図である。 実長の変更による不平衡荷重の解消イメージの説明図である。 ケーブル張力Ｔと実長Ｌの関係の一例ある。 スパン長の変更による不平衡荷重の解消イメージの説明図である。 弛度の変更による不平衡荷重の解消イメージの説明図である。 設備系のケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）変更時の影響例の説明図であり、（ａ）はケーブル布設条件の変更前を示し、（ｂ）はケーブル布設条件の変更後を示す。 ポールに発生する不平衡荷重例の説明図である。 ポールとケーブルの接続形態の一例であり、（ａ）は引き留めを示し、（ｂ）引き通しを示す。 実施形態例１の機能ブロック図である。 実施形態例２の機能ブロック図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態例１）
本実施形態例を実行するための機能ブロック図を、図１４に示す。本実施形態に係る装置は、不平衡荷重算出部１２と、ケーブル布設条件算出部１３と、を備える。本実施形態に係る装置が実行する方法を、図１に示す。本実施形態に係る装置は、不平衡荷重算出部１２がポールに作用する不平衡荷重を計算し（Ｓ１１）、ケーブル布設条件算出部１３が不平衡荷重を解消するためのケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を決定し（Ｓ１２）、上記のケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を実現するための実施方法を決定する（Ｓ１３）。本開示の装置はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。以下、詳細に説明する。

まずステップＳ１１について説明する。ポール９１に作用する不平衡荷重の計算のためには、ポール９１に布設されているケーブル９２による張力を計算する必要がある。図２には、２本のポール９１の間に布設されているケーブル９２の張力を計算するために必要な条件を図示している。ここで、Ｔは張力（ｋＮ）、ｗは単位長さ辺りのケーブル９２の荷重（ｋＮ／ｍ）、Ｓはスパン長（すなわちポール９１の布設位置間の距離）（ｍ）、Ｌはケーブル９２の実長（ｍ）、ｄはケーブル９２の弛度（ｍ）を表す。この時、ケーブル９２に発生する張力Ｔは、式（１）もしくは式（２）で表現される。

ここで、ｗは布設されるケーブル９２毎に規定される数値である。Ｓ、Ｌ、ｄはケーブル９２の布設条件を表すもので、Ｓ、Ｌ、ｄを計測する方法例としては、ケーブル９２の表面を３次元座標の点で表現した３次元点群データとして取得し求める方法がある（特許文献１参照）。

次に、ステップＳ１２について説明する。具体的には、計算された不平衡荷重に基づき、不平衡荷重を解消するためのケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を決定するための方法を記載する。図３には、ポール９１に作用する力学的要素を表現しており、ポール９１に布設されているケーブル９２の張力Ｔ_１、Ｔ_２・・・と、不平衡荷重によりポール９１が変形することによる反力Ｆが考えられ、これらの力の間で、以下式（３）の力のつり合いを考えることができる。
（数３）
（ΣＴ_ｎ）＋Ｆ＝０ （３）

式（３）は各ポール９１にて考えることができる。また不平衡荷重によりポール９１が変形することによる反力Ｆは式（４）のように考えることができる。
（数４）
Ｆ＝ｆ（Δ） （４）
ここで、Δはポール９１の変形を表すもので、例えば、ポール９１の頭部変位８３等で表現できる（図４）。頭部変位８３は、例えば、ポール９１の鉛直軸８１とケーブル布設位置８２の水平距離で求めることができる。

このとき、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を変更した時の式（３）の各要素を、式（１）、式（２）および式（４）から計算することを考える。
布設条件（実長Ｌ、スパン長Ｓ、弛度ｄ等）の変更後のケーブル張力Ｔ及び不平衡荷重の決定フローを図５に示す。ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を変えた時のケーブルの張力は、変更後の実長Ｌ、スパン長Ｓ、弛度ｄを用いて、式（１）または式（２）から計算できる（図５ステップｂ）。
一方、ケーブル９２の張力が変わることにより、不平衡荷重が変化するため、ポール９１の反力Ｆも変化し（Ｆ’）、式（３）から計算できる（図５ステップｃ）。

この時ポールの反力がＦ’に変わることで、「ポール変形Δ」も変化する（図５ステップｄ）。ここでポールの変形Δが変わることによる、ケーブル９２の張力Ｔへの影響を考える。例えば、「ポールの変形Δ」として、「ポールの地際からの鉛直軸８１」と「ケーブル布設位置８２」の水平距離（＝頭部変位８３）を考えると、「頭部変位８３＝スパン長の変化」となり（図６）、変化後のスパン長に基づき、ケーブル９２の張力Ｔを式（１）または式（２）により再計算する（図５ステップｅ）。

この時、図５ステップｃ、図５ステップｅから求められたケーブル９２の張力、ポール９１の反力を用いて、つり合い式の収束を式（５）により判定する（図５ステップｆ）。
（数５）
（ΣＴ_ｎ）＋Ｆ≦Ａ （５）

ここではＡは収束判定をする閾値で十分小さい値とする。式（５）を満たすまで、繰り返し計算を実施する（図５－ｃ→ｄ→ｅ→ｆ→ｃ…）。

式（５）を満たした時のケーブル張力Ｔ_１’、Ｔ_２’・・・を、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）変更後のケーブル張力と考えることができ、これを用いて、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）変更後の不平衡荷重を、式（６）のように計算できる。
（数６）
不平衡荷重＝（ΣＴ_ｎ’） （６）

ここで、図５の収束計算をひとまとまりの計算群と考え、「変更後のケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）」から「ポールの不平衡荷重」を計算する関数ｇと考えることができる（式（７））。
（数７）
（ポールの不平衡荷重）＝ｇ（変更後のケーブル布設条件）≦Ｂ （７）

ここでＢは閾値で十分小さい値とする。式（７）を満たすような、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を求めることで、不平衡荷重を解消するためのケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を計算することができる。

以上のその一連の過程まで含めて、「ポールの不平衡荷重」から「不平衡荷重解消後のケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）」を計算する関数ｈと考えることができる（式（８））。
（数８）
（不平衡荷重解消後のケーブル布設条件）＝ｈ（ポールの不平衡荷重） （８）

式（８）を満たす、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）は計算条件によっては複数存在するため、最適なケーブル布設条件と、実際その実現方法について記載する。

まず、ケーブル布設条件の、各パラメータである、実長・スパン長・弛度を変更するための現実の施工方法について以下、ステップＳ３１～Ｓ３３で考える。

ステップＳ３１：実長の変更
「高張力スパンの実長の変更」による不平衡荷重の解消を考える。ケーブル９２の実長と張力は反比例するため（式（２）および図８）、「高張力スパンの実長を延長」することにより、不平衡荷重の解消が可能となる。そのため、式（８）で計算した結果にまで、実長を増加させることで不平衡荷重が解消できる。

具体的には、図７に示すように、ポール９１とケーブル９２の接続部に部材７１を割入れ、ケーブル９２の実長Ｌを増加させる。複数の長さの部材７１を用意して、適切な部材７１を選定することで、狙った実長Ｌの増加を実現することができる。また本工法は、ポール９１とケーブル９２の接続部（＝架渉位置）に金物等の他の付属物７３による支障がなく、ポール９１とケーブル９２の接続形態が「引き留め」（図１３（ａ））であり、ケーブル９２に余長がある場合に実施できる。ポール９１とケーブル９２の接続形態が「引き留め」の場合、ケーブル９２の支持体７２は、ポール９１の左右で分断されており、他の付属物７３を介してポール９１に接続されている。

ステップＳ３２：スパン長の変更
ポール９１の位置変更による、不平衡荷重の解消を考える。式（８）で計算したケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を実現する位置に、ポール９１を移設することで、不平衡荷重の解消実現できる（図９）。また本工法はケーブル余長、土地所有者との用地折衝、変更後位置の地盤等条件を満たせば実施できる。

ステップＳ３３：弛度の変更
弛度の変更による、不平衡荷重の解消を考える。ポール９１のケーブル固定箇所にて、ケーブル９２の余長がある場合に、式（８）で計算したケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）のように、ケーブル９２の余長を使って、弛度を変更することで、不平衡荷重の解消を実現できる（図１０）。また本工法は、ポール９１とケーブル９２の接続部（＝架渉位置）に他の金物等の付属物７２による支障がなく、ポール９１とケーブル９２の接続形態が「引き通し」（図１３（ｂ））であり、ケーブル９２に余長がある場合に実施できる。ポール９１とケーブル９２の接続形態が「引き通し」の場合、ケーブル９２の支持体７２は、ポール９１の左右で分断されておらず、他の付属物７３を介してポール９１に固定されている。

このように、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を実現できるかは、
（ｉ）架渉位置の状態、
（ｉｉ）ポール９１とケーブル９２の接続形態（引き通し、引き留め）、
（ｉｉｉ）周辺用地の折衝状態、
等の諸条件により異なる。

これらをまとめて「工法の実施条件」とし、「ポールの不平衡荷重」、「工法の実施条件」から「不平衡荷重解消のための最適なケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）及び実施方法」を定める関数ｋとして規定できる（式９）。
（数９）
（不平衡荷重解消のための最適なケーブル布設条件及び実施方法）
＝ｋ（ポールの不平衡荷重、工法の実施条件）） （９）

以上説明したように、本実施形態に係る装置及び方法は、
ケーブル９２の布設条件に基づいて、ケーブルの張力Ｔを、式（１）又は式（２）を用いて計算するステップＳ１と、
求められたケーブル９２の張力Ｔに基づいて、ポール９１の反力Ｆおよび変形量Δを、式（３）及び式（４）を用いて計算するステップＳ２と、
求められたポール９１の変形量Δに基づいて、ケーブル９２の張力Ｔを再計算するステップＳ３と、
ステップＳ２で求められたポール９１の反力ＦとステップＳ３で求められたケーブル９２の張力Ｔとに基づいて、つり合い式（５）の収束判定を行うステップＳ４と、
ステップＳ４で未収束と判定された場合には、ステップＳ２～Ｓ４を繰り返し実行し、収束と判定された場合に、求められたケーブルの張力に基づいてポールの不平衡荷重を計算するステップＳ５と、
を有する。これにより、本開示は、ケーブル９２の布設条件を変化させたときのポール９１の不平衡荷重の変化を計算することができ、不平衡荷重を解消するケーブル９２の布設条件を求めることが可能となる。

（実施形態例２）
本実施形態例を実行するための機能ブロック図を、図１５に示す。不平衡荷重解消のために、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を変更するとき、隣接ポールに布設されているケーブルの張力も変わることになるため、その影響を、実施形態例１のステップＳ１２のフローを以下のように置き換えて考えることができる。

複数のポール及び、それらのポールに布設されるケーブルを合わせて、「設備系」と呼ぶことにし、図１１に例を示す。ポール９１－３の不平衡荷重を解消するために、ポール９１－３及び９１－４間のケーブル９２－３の布設条件を変更することを考える。ポール９１－３及び９１－４間のケーブル９２－３の布設条件を変更することによる、ポール９１－３に布設されるケーブルの荷重Ｔ１’、Ｔ２’を式（１０）のように考えることができる。
（数１０）
（ポール９１－３に布設されるケーブルの張力：Ｔ１’、Ｔ２’）
＝ｇ（ポール９１－３及び９１－４間の変更後のケーブル布設条件） （１０）

このように、不平衡荷重の解消をしたいポール９１－３を起点として、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）の変更による、各ポール９１に布設されるケーブル９２の張力を順番に計算できる。この一連として、あるケーブル９２の布設条件（実長、スパン長、弛度等）を変更したときの、設備系の各ポールの不平衡荷重を計算するための関数ｊを考えることができる（式（１１））
（数１１）
（ポールＸの不平衡荷重）＝ｊ（変更後のケーブル布設条件） （１１）

実施形態例１と同様に、「ポールの不平衡荷重」から「不平衡荷重解消後のケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）」を計算する関数ｈと考えることで、設備系で考えた場合の、あるポールＸの不平衡荷重を解消するための、ケーブル布設条件（実長、スパン長、弛度等）を求めることができる（式１２）。
（数１２）
（不平衡荷重解消後のケーブル布設条件）
＝ｈ（ポールＸの不平衡荷重） （１２）

（本開示の効果）
本開示によれば、不平衡荷重が発生しているポール９１に接続されているケーブル９２の布設条件（実長、スパン長、弛度等）を変化させたときに、ポール９１に発生する不平衡荷重がどのように変化するかを計算することが可能となる。

具体的には、各ポール９１に作用する力学的要素として、ポール９１に接続されているケーブル９２の張力と、不平衡荷重でポール９１が変形することによる反力の間の力のつり合いを考えることができる。加えて、「ケーブルの張力」とケーブル布設条件の関係（実長、スパン長、弛度等）と、「不平衡荷重でポールが変形することによる反力」とポールのケーブル布設位置の変位量（頭部変位）の関係を定めることにより、ケーブル布設条件を変更したときの、変更前後でのポール９１の不平衡荷重を従来よりも正確に計算することができる。

上記により、ポール９１に不平衡荷重が発生している場合に、どのようなケーブル９２の布設条件であれば、不平衡荷重を解消できるかを計算可能となる。またそのケーブル９２の布設条件を実現するための部材や、効率的工法の検討に使用することができ、現在の不平衡荷重の解消工法の、効率化・低コスト化に貢献できる。また不平衡荷重の早期解消という観点から、将来のひびやポール折損の抑制、すなわち設備の長期安全利用の実現に貢献できる。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

７１：部材
７２：支持体
７３：付属物
９１：ポール
９２：ケーブル

Claims (3)

1. 対象ポールとケーブルとの接続部に長さの異なる部材を割り入れたときの前記ケーブルの実長、及び前記対象ポールが変形することによる反力を用いて、長さの異なる前記部材を割り入れたときの前記ケーブルの張力を計算し、
   計算で得られた前記ケーブルの張力を用いて、前記対象ポールの不平衡荷重を計算し、
   計算で得られた複数の不平衡荷重のうちの適切な不平衡荷重のときの前記ケーブルの実長を、前記対象ポールに接続する前記ケーブルの実長に選定する、
   装置。
2. 装置が、対象ポールとケーブルとの接続部に長さの異なる部材を割り入れたときの前記ケーブルの実長、及び前記対象ポールが変形することによる反力を用いて、長さの異なる前記部材を割り入れたときの前記ケーブルの張力を計算し、
   装置が、計算で得られた前記ケーブルの張力を用いて、前記対象ポールの不平衡荷重を計算し、
   装置が、計算で得られた複数の不平衡荷重のうちの適切な不平衡荷重のときの前記ケーブルの実長を、前記対象ポールに接続する前記ケーブルの実長に選定する、
   方法。
3. 対象ポールとケーブルとの接続部に長さの異なる部材を割り入れたときの前記ケーブルの実長、及び前記対象ポールが変形することによる反力を用いて、長さの異なる前記部材を割り入れたときの前記ケーブルの張力を計算する手順と、
   計算で得られた前記ケーブルの張力を用いて、前記対象ポールの不平衡荷重を計算する手順と、
   計算で得られた複数の不平衡荷重のうちの適切な不平衡荷重のときの前記ケーブルの実長を、前記対象ポールに接続する前記ケーブルの実長に選定する手順と、
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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